CC BY
9
УДК 621.793:666.3
Парамонова Н.Д., Данилов Е.А., Вартанян М.А.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПЬЕЗОМАТЕРИАЛА ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИД/ЦИРКОНАТ-ТИТАНАТ СВИНЦА С ТИПОМ СВЯЗНОСТИ 0-3
Парамонова Надежда Дмитриевна - аспирант 1 -го года обучения кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, paramonova-nd@mail.ru;
Вартанян Мария Александровна - кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Данилов Егор Андреевич - начальник лаборатории синтеза и исследований новых материалов; АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита», Россия, Москва, 111524, ул. Электродная, 2.
Кратко описано получение и свойства пленочного композиционного пьезоэлектрического материала на основе полимерной матрицы из поливинилиденфторида (ПВДФ) и наполнителя пьезокерамики системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) для различных электронных устройств. Рассмотрены несколько способов металлизации полученного материала, а именно - магнетронное напыление, нанесение токопроводящего состава и гальваническое серебрение.
Ключевые слова: ЦТС, цирконат-титанат свинца, поливинилиденфторид, ПВДФ, металлизация.
COMPARISON OF METALLIZATION METHODS OF FILM COMPOSITE PIEZOMATERIAL BASED ON POLYVINYLIDENE FLUORIDE AND LEAD ZIRCONATE-TITANATE CERAMICS
Paramonova N.D.1, Danilov E.A.2, Vartanyan M.A.1
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation 2Joint Stock Company «Research Institute of graphite-based materials»
Preparation and properties of a film composite piezoelectric material based on a polymer matrix ofpolyvinylidene fluoride (PVDF) and lead zirconate titanate (PZT) piezoelectric ceramics briefly described for various electronic devices. Several methods of the obtained material metallization are considered, namely, magnetron sputtering, application of conductive compound, and galvanic silvering.
Key words: PZT, lead zirconate titanate, polyvinylidene fluoride, PVDF, metallization.
Введение
В настоящее время для изготовления различных датчиков и электромеханических устройств широко используются материалы, обладающие пьезоэффектом, а именно - различные виды пьезоэлектрической керамики, например, пьезокерамика системы цирконата-титаната свинца (ЦТС). Однако такие материалы обладают рядом существенных недостатков, таких как высокий акустический импеданс, ограниченный частотный диапазон, хрупкость и др. [1]. Преодоление указанных недостатков возможно с помощью применения сегнетоэлектрических полимеров, среди которых наибольшее распространение получил поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры [2]. В данной работе получен пленочный керамополимерный композиционный материал с типом связности 0-3, а также исследовано несколько способов его металлизации. Металлизацию можно проводить с использованием различных методов: вакуумная металлизация, гальваническое осаждение, химическое осаждение, газофазное осаждение и др. Материалы и методы исследований
Композиционные пленки толщиной от 160 до 210 мкм были получены методом центробежного литья суспензии на основе ПВДФ марки Ф-2МЭ и 25 масс.%
пьезокерамического материала ПКП-13. Адгезия оценивалась методом решетчатых надрезов по ГОСТ 15140.
Металлизация материала
Для формирования серебряных электродов на поверхности полученного пьезоматериала были рассмотрены различные способы металлизации, такие как магнетронное напыление, нанесение токопроводящего клеевого состава и гальваническое серебрение. Магнетронное напыление осуществлялось с помощью распыления материала серебряной мишени-катода, бомбардировкой ионами рабочего газа (аргон 99,999%), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда в магнитном поле с предварительной обработкой поверхности пленки воздушным тлеющим разрядом. Второй способ металлизации представлял собой нанесение токопроводящего состава на основе поливинилхлоридных смол и серебряных частиц.
Также были предприняты попытки осуществить металлизацию материала с помощью гальванического серебрения. Для гальванического серебрения металлов чаще всего применяется цианидный электролит, основным недостатком которого является высокая токсичность вследствие наличия цианистого калия в свободном состоянии. Наряду с цианидным
электролитом серебрения большое распространение получили бесцианистые электролиты серебрения. Современное развитие электроники и приборостроения приводит к переориентации технологии серебрения на получение серебряных покрытий из электролитов, не содержащих высокотоксичных цианистых солей, а также из композиционных электролитов с добавками высокотвердых дисперсных ингредиентов [3].
Известно, что материалы на основе полимерных материалов, таких как ПВДФ, не обладают достаточной
Гальваническая ячейка состояла из источника питания постоянного тока и графитового стержня в качестве инертного анода. Подаваемое напряжение составило 1,6 В, ток - 0,1 А. Зависимость толщины получаемого покрытия от времени представлена на рисунке 1. Снимки полученных покрытий тремя различными способами представлены на рисунке 2.
Т 70
Толщина
покрытия, мкм
50 40 30 20 10 О
О 5 10 15 20 25 30
Врегчш, мин
Рисунок 1. Зависимость толщины получаемого серебряного
помощью магнетронного напыления (А, Г), нанесения токопроводящего состава (Б, Д). Гальваническая металлизация медной пластинки (В, Е). Адгезия по методу решетчатых надрезов по ГОСТ 15140 (Г-Е). Увеличение 10х.
Адгезия покрытия, полученного с помощью магнетронного напыления, соответствует 1 баллу по ГОСТ 15140; данное покрытие равномерно по всей поверхности и обладает металлическим блеском. Аналогично проявляет себя гальваническое покрытие на медной пластинке. Покрытие на основе токопроводящего состава имеет более низкую адгезию к поверхности пьезопленки. Магнетронное напыление обеспечивает
собственной электропроводностью, поэтому не могут напрямую подвергаться металлизации и требуют нанесения исходного затравочного слоя. В связи с этим изучения закономерностей гальванической
металлизации были использованы медные пластинки толщиной 300-500 мкм, которые предварительно подвергались отжигу и обезжириванию. Был приготовлен трилонатный электролит, состав которого указан в таблице 1.
низкое сопротивление покрытия (0,7-1,5 Ом), а покрытие токопроводящим составом - не менее 5,0 Ом.
Несмотря на высокие электрофизические и адгезионные (при условии предварительной плазмохимической обработки поверхности)
характеристики, толщина покрытия, нанесенного методом магнетронного напыления, составляет не более 500 нм, чего недостаточно для последующей переработки материалов рядом способов (например, пайкой). Таким образом, требуется дополнение магнетронного покрытия менее качественными, но технологичными доращивающими слоями
Заключение
В настоящей работе получен пленочный керамополимерный композиционный материал и изучено три способа его металлизации: магнетронное напыление, нанесение токопроводящего состава и гальваническое серебрение. По результатам работы наилучшими характеристиками (металлический блеск, низкое сопротивление, хорошая адгезия к поверхности материала) обладает серебряное покрытие, полученное методом магнетронного напыления. Полученные результаты гальванического серебрения медных пластинок с помощью трилонатного электролита планируется в дальнейшем использовать для металлизации данных композитов, что затруднено в настоящий момент в связи с необходимостью нанесения исходного серебряного слоя. В целом, с точки зрения последующей переработки пленок в пьезоустройства представляется магнетронное напыление с последующим гальваническим осаждением.
Список литературы
[1] Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов / Москва: Техносфера, 2017. - 272 с.
[2] Кочервинский В.В. Сегнетоэлектрические свойства полимеров на основе винилиденфторида // Успехи химии. - 1999. - Т. 68. - №№ 10. - С. 904-943.
[3] Патент RU 2652681 С2, от 26.10.2016. Электролит серебрения // Буров И.В., Азанов А.А., Медведицина Т.Н., Чернышев В.Е., Козлов И.С.
Таблица 1 - Состав трилонатного электролита
Компонент Формула Содержание, моль/л
Нитрат серебра ЛвШз 0,3
Этилендиаминтетрауксусная кислота (Трилон Б, ЭДТА) С1оИ1бК208 0,4
Гидроксид натрия шон 0,8
Цитрат аммония СбНпКзОгЗШО 0,4
Аммиак водный адон до рН 9,5 - 10,5
